мнению, что аккреция проис­ходила неравномерно и железо конденсировалось из

ту­манности раньше других элементов, образующих ныне ман­тию и кору Земли.

При неравномерной аккреции содержание свободного водорода в примитивной

атмосфере должно было оказаться ниже, чем в случае равномерного процесса.

Другие ученые отдают предпочтение аккреции, но проте­кающей таким путем,

который не должен приводить к образованию восстановительной атмосферы. Короче

говоря, в последние годы были проанализированы различные мо­дели образования

Земли, из которых одни в большей, другие в меньшей степени согласуются с

представлениями о вос­становительном характере ранней атмосферы.

Попытки восстановить события, происходившие на заре формирования Солнечной

системы, неизбежно связаны со множеством неопределенностей. Промежуток

времени меж­ду возникновением Земли и образованием древнейших по­род,

поддающихся геологической датировке, в течение ко­торого протекали химические

реакции, приведшие к появ­лению жизни, составляет 700 млн. лет. Лабораторные

опыты показали, что для синтеза компонентов генетической сис­темы необходима

среда восстановительного характера; поэ­тому можно сказать, что раз жизнь на

Земле возникла, то это может означать следующее: либо примитивная атмосфера

имела восстановительный характер, либо органические сое­динения, необходимые

для зарождения жизни, откуда-то принесены на Землю. Поскольку даже сегодня

метеориты приносят на Землю разнообразные органические вещества, последняя

возможность не выглядит абсолютно фантасти­ческой. Однако метеориты, по-

видимому, содержат далеко не все вещества, необходимые для построения

генетической системы. Хотя вещества метеоритного происхождения, вероятно,

внесли существенный вклад в общий фонд органи­ческих соединений на

примитивной Земле, в настоящее время кажется наиболее правдоподобным, что

условия на самой Земле имели восстановительный характер в такой степени, что

стало возможным образование органического вещества, приведшее к возникновению

жизни.

V. Критерии обитаемости планет

1.Температура и давление

Если предположение о том, что жизнь должна быть основана на химии углерода,

правильно, то можно точно установить предельные условия для любой среды,

способной поддерживать жизнь. Прежде всего температура не должна превышать

предела стабильности органических молекул. Определить предельную температуру

нелегко, но не требуется точных цифр. Поскольку температурные эффекты и

величина давления взаимозависимы, их следует рассматривать в совокупности.

Приняв давление равным примерно 1 атм (как на поверхности Земли), можно

оценить верхний температурный предел жизни, учитывая, что многие небольшие

молекулы, из которых построена генетическая система, например аминокислоты,

быстро разрушаются при температуре 200-300°С. Исходя из этого, можно

заключить, что области с температурой выше 250°С необитаемы. (Из этого,

однако, не следует, что жизнь определяется только аминокислотами; мы выбрали

их лишь в качестве типичных представителей малых органических молекул.)

Реальный температурный предел жизни почти наверняка должен быть ниже

указанного, поскольку большие молекулы со сложной трехмерной структурой, в

частности белки, построенные из аминокислот, как правило, более чувствительны

к нагрева­нию, чем небольшие молекулы. Для жизни на поверхности Земли верхний

температурный предел близок к 100°С, и некоторые виды бактерий при этих

условиях могут выживать в горячих источниках. Однако подавляющее большинство

организмов при такой температуре гибнет.

Может показаться странным, что верхний температурный предел жизни близок к

точке кипения воды. Не обусловлено ли это совпадение именно тем

обстоятельством, что жидкая вода не может существовать при температуре выше

точки своего кипения (100°С на земной поверхности), а не какими-то особыми

свойствами самой живой материи?

Много лет назад Томас Д. Брок, специалист по термо­фильным бактериям,

высказал предположение, что жизнь может быть обнаружена везде, где существует

жидкая вода, независимо от ее температуры. Чтобы поднять точку кипе­ния воды,

нужно увеличить давление, как это происходит, например, в герметической

кастрюле-скороварке. Усиленный подогрев заставляет воду кипеть быстрее, не

меняя ее темпе­ратуры. Естественные условия, в которых жидкая вода

су­ществует при температуре выше ее обычной точки кипения, обнаружены в

районах подводной геотермальной активнос­ти, где перегретая вода изливается

из земных недр под совместным действием атмосферного давления и давления слоя

океанской воды. В 1982 г. К. О. Стеттер обнаружил на глубине до 10 м в зоне

геотермальной активности бактерии, для которых оптимальная температура

развития составляла 105°С. Так как давление под водой на глубине 10 м

равняется 1 атм, общее давление на этой глубине достигало 2 атм. Температура

кипения воды при таком давлении равна 121°С.

Действительно, измерения показали, что температура воды в этом месте

составляла 103°С. Следовательно, жизнь возмож­на и при температурах выше

нормальной точки кипения воды.

Очевидно, бактерии, способные существовать при темпе­ратурах около 100°С,

обладают “секретом”, которого лише­ны обычные организмы. Поскольку эти

термофильные фор­мы при низких температурах растут плохо либо вообще не

растут, справедливо считать, что и у обычных бактерий есть собственный

“секрет”. Ключевым свойством, определяю­щим возможность выживания при высоких

температурах, является способность производить термостабильные клеточ­ные

компоненты, особенно белки, нуклеиновые кислоты и клеточные мембраны. У

белков обычных организмов при температурах около 60°С происходят быстрые и

необрати­мые изменения структуры, или денатурация. В качестве примера можно

привести свертывание при варке альбумина куриного яйца (яичного “белка”).

Белки бактерий, обита­ющих в горячих источниках, не испытывают таких

измене­ний до температуры 90°С. Нуклеиновые кислоты также подвержены тепловой

денатурации. Молекула ДНК при этом разделяется на две составляющие ее нити.

Обычно это происходит в интервале температур 85-100°С в зависимости от

соотношения нуклеотидов в молекуле ДНК.

При денатурации разрушается трехмерная структура бел­ков (уникальная для

каждого белка), которая необходима для выполнения таких его функций, как

катализ. Эта струк­тура поддерживается целым набором слабых химических

связей, в результате действия которых линейная последова­тельность

аминокислот, формирующая первичную структу­ру белковой молекулы, укладывается

в особую, характерную для данного белка конформацию. Поддерживающие

трех­мерную структуру связи образуются между аминокислота­ми, расположенными

в различных частях белковой молеку­лы. Мутации гена, в котором заложена

информация о последовательности аминокислот, характерной для опреде­ленного

белка, могут привести к изменению в составе амино­кислот, что в свою очередь

часто сказывается на его термо­стабильности. Это явление открывает

возможности для эволюции термостабильных белков. Структура молекул,

обеспе­чивающая термостабильность нуклеиновых кислот и клеточ­ных мембран

бактерий, обитающих в горячих источниках, по-видимому, также генетически

обусловлена.

Поскольку повышение давления препятствует кипению воды при нормальной точке

кипения, оно может предотвра­тить и некоторые повреждения биологических

молекул, свя­занные с воздействиями высокой температуры. Например, давление в

несколько сотен атмосфер подавляет тепловую денатурацию белков. Это

объясняется тем, что денатурация вызывает раскручивание спиральной структуры

белковой молекулы, сопровождающееся увеличением объема. Препят­ствуя

увеличению объема, давление предотвращает денату­рацию. При гораздо более

высоких величинах давления, 5000 атм и более, оно само становится причиной

денатурации. Механизм этого явления, которое предполагает компрес­сионное

разрушение белковой молекулы, пока не ясен. Воз­действие очень высокого

давления приводит также к повы­шению термостабильности малых молекул,

поскольку высо­кое давление препятствует увеличению объема, обусловлен­ному в

этом случае разрывами химических связей. Напри­мер, при атмосферном давлении

мочевина быстро разруша­ется при температуре 130°С, но стабильна, по крайней

мере в течение часа, при 200°С и давлении 29 тыс. атм.

Молекулы, находящиеся в растворе, ведут себя совершен­но иначе.

Взаимодействуя с растворителем, они часто распа­даются при высокой

температуре. Общее название таких реакций - сольватация; если растворителем

служит вода, то реакция называется гидролизом.

Гидролиз-это основной процесс, вследствие которого в природе разрушаются

белки, нуклеиновые кислоты и многие другие сложные биологические молекулы.

Гидролиз проис­ходит, например, в процессе пищеварения у животных, но он

осуществляется и вне живых систем, самопроизвольно, осо­бенно при высоких

температурах. Электрические поля, воз­никающие при сольволитических реакциях,

приводят к уменьшению объема раствора путем электрострикции, т.е. связывания

соседних молекул растворителя. Поэтому сле­дует ожидать, что высокое давление

должно ускорять про­цесс сольволиза, и опыты подтверждают это.

Поскольку мы полагаем, что жизненно важные процессы могут протекать только в

растворах, отсюда следует, что высокое давление не может поднять верхний

температурный предел жизни, по крайней мере в таких полярных раствори­телях,

как вода и аммиак. Температура около 100°С-вероят­но, закономерный предел.

Как мы увидим, это исключает из рассмотрения в качестве возможных мест

обитания многие планеты Солнечной системы.

2. Атмосфера

Следующее условие, необходимое для обитаемости пла­неты,-наличие атмосферы.

Достаточно простые соединения легких элементов, которые, по нашим

предположениям, составляют основы живой материи, как правило, летучи, т. е. в

широком интервале температур находятся в газообразном состоянии. По-видимому,

такие соединения обязательно вы­рабатываются в процессах обмена веществ у

живых организ­мов, а также при тепловых и фотохимических воздействиях на

мертвые организмы, которые сопровождаются выделе­нием газов в атмосферу. Эти

газы, наиболее простыми примерами которых на Земле являются диоксид углерода

(углекислый газ), пары воды и кислород, в конце концов включаются в

кругооборот веществ, который происходит в живой природе. Если бы земное

тяготение не могло их удерживать, то они улетучились бы в космическое

простран­ство, наша планета со временем исчерпала свои “запасы” легких

элементов и жизнь на ней прекратилась бы. Таким образом, если бы на каком-то

космическом теле, гравита­ционное поле которого недостаточно сильно, чтобы

удержи­вать атмосферу, возникла жизнь, она не могла бы долго существовать.

Высказывалось предположение, что жизнь может сущест­вовать под поверхностью

таких небесных тел, как Луна, которые имеют либо очень разреженную атмосферу,

либо вообще лишены ее. Подобное предположение строится на том, что газы могут

быть захвачены подповерхностным слоем, который и становится естественной

средой обитания живых организмов. Но поскольку любая среда обитания,

возникшая под поверхностью планеты, лишена основного биологически важного

источника энергии-Солнца, такое предположение лишь подменяет одну проблему

другой. Жизнь нуждается в постоянном притоке как вещества, так и энергии, но

если вещество участвует в кругообороте (этим обусловлена необходимость

атмосферы), то энергия, соглас­но фундаментальным законам термодинамики,

ведет себя иначе. Биосфера способна функционировать, покуда снабжа­ется

энергией, хотя различные ее источники не равноценны. Например, Солнечная

система очень богата тепловой энер­гией-тепло вырабатывается в недрах многих

планет, вклю­чая Землю. Однако мы не знаем организмов, которые были бы

способны использовать его как источник энергии для своих жизненных процессов.

Чтобы использовать теплоту в качестве источника энергии, организм, вероятно,

должен функционировать подобно тепловой машине, т. е. переносить теплоту из

области высокой температуры (например, от цилиндра бензинового двигателя) в

область низкой темпера­туры (к радиатору). При таком процессе часть

перенесенной теплоты переходит в работу. Но чтобы к. п. д. таких тепло­вых

машин был достаточно высоким, требуется высокая температура “нагревателя”, а

это немедленно создает огром­ные трудности для живых систем, так как

порождает мно­жество дополнительных проблем.

Ни одной из этих проблем не создает солнечный свет. Солнце-постоянный,

фактически неисчерпаемый источник энергии, которая легко используется в

химических процессах при любой температуре. Жизнь на нашей планете целиком

зависит от солнечной энергии, поэтому естественно предпо­ложить, что нигде в

другом месте Солнечной системы жизнь не могла бы развиваться без прямого или

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5